人工タンパク質の理論設計と合成

人工蛋白质的理论设计与合成

• 批准号: 12042255
• 负责人: 高田 彰二
• 金额: $ 2.56万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12042255/
• 关键词: 人工設計; フォールディング; エネルギーランドスケープ理論; 3本ヘリクッス束; タンパク質; Zスコア; 3本ヘリックス束

本プロジェクトでは、理論モデルに基づいて人工タンパク質を設計し、それを実際に生合成し、その立体構造や折れたたみ反応の熱力学的および速度論的解析を行う。その結果を理論にフィードバックさせることにより理論モデルを改良する。理論家と実験家の共同によりこのサイクルを繰り返し、それを通じてタンパク質の立体構造を形作っている物理化学的な原理を理解するとともに、新規な人工タンパク質を造ることを目指した。【配列設計の結果】モンテカルロアニーリングシミュレーションによって、Zスコアを最小にする配列を探した。設計と折りたたみの繰り返しによる変性状態構造アンサンブルの構築とZスコアの改良によって設計された配列は高いフォールド能力を持ち、Target構造との相同性を高めている。エネルギーランドスケープを見ると、Target構造との相同性(Q値、Q値が大きい程Target構造に近い)が高い程エネルギーが低くなっており、このデザイン配列の高いフォールド能力を示唆している。上の方法を用いてDHB01からDHB20までの配列を設計した。【人工設計タンパク質の合成実験】設計されたアミノ酸配列が実際に立体構造をとっているかどうかを調べるために、この20種のうち、cavity体積などのスコアから評価した上位3種(DHβ06、DHB09、DHB19)を選択しペプチド合成機を用いて化学合成を行い、その構造安定性をCD(円二色性)、NMR(核磁気共鳴)の手法を用いて調べた。far UV領域でのCD測定においてDHB09、DHB19の2種はランダムコイル状のスペクトルであったが、DHB06は典型的なα-ヘリックス様のスペクトルを示した。DHB06の温度に対する安定性を調べたところ90℃において完全変性し、かつこの変性が可逆であることが分かった。そこで、Native-Denatured間の二状態転移モデルで波長222nmにおけるCD値の熱変性曲線のcurve-fittingを行った結果、エンタルピー変化25kcal/mo1および転移中点温度79℃を得た。これは、野性型の値(ΔH=20kcal/mo1、Tm=80℃)に匹敵する値である。一方、1H-NMR測定によるとDHB09やDHB19の一次元NMRスペクトルは、アミノ酸由来のシャープな様相を呈した。対照的にDHB06のスペクトルでは高磁場シフトしたメチル基や低磁場シフトしたヒスチジン残基のピークなど、DHB06が三次構造を持つことが示唆された。この結果は、天然状態様の三次構造を持つ配列設計の成功を示している。

本プロジェクトでは, theoretical モデルに记づいて artificial タンパクquality をdesignし, それを実记Analysis of the および velocity theory of に生综合し, そのthree-dimensional structure や folding れたたみreflection の thermodynamics を行う.そのRESULTを Theoryにフィードバックさせることにより Theory モデルを IMPROVEMENT する. Theorist と実験家's common によりこのサイクルを缲り回し, それを通じてタンパク性のthree-dimensional structure を form The basic principles of physical and chemical chemistry are understood, and the new rules are artificial and artificial. 【Results of arrangement design】モンテカルロアニーリングシミュレーションによって, Zスコアをminimum arrangement and exploration. Design and construction The design is based on the layout, the ability is high, and the target structure is consistent.エネルギーランドスケープを见ると、Target structure とのidentity(Q値、Q値が大きい成 Target structure Made of near い) high い Cheng エ ネ ル ギ ー が low く な っ て お り, こThe のデザインmatching の高いフォールド ability をshows the している. The above method is designed using the combination of DHB01 and DHB20. 【Artificially designed synthetic material】Designed artificial acid arrangement and three-dimensional structureかどうかを动べるために、この20 kinds of のうち、cavity volume などのスコアからreview価した上3 kinds of bits (DHβ06, DHB09, DHB19) are selected and chemically synthesized by the しペプチド synthesizer. The structure stability, CD (dichroism), and NMR (nuclear magnetic resonance) techniques are used to adjust the structure. far UV field CD measurement: DHB09, DHB19, 2 kinds of はランダムコイル-shaped instrumentペクトルであったが, DHB06 is a typical なα-ヘリックス様のスペクトルをshows した. DHB06's temperature stability is stable and the temperature is stable at 90℃, which is completely stable and stable.そこで、Native-Denatured のtwo-state switch モデルでWavelength 222nmにおけるCD つのThermal property curve のc The result of urve-fitting is 25kcal/mo1 and the midpoint temperature is 79℃.これは, wild type の夤 (ΔH=20kcal/mo1, Tm=80℃) is comparable to する値である. On the one hand, the 1H-NMR measurement of DHB09, DHB19, one-dimensional NMR, and the origin of Amin acid were carried out.対 Teru's DHB06 high magnetic field high magnetic field low magnetic field low magnetic field The たヒスチジン residue のピークなど, DHB06 がthree-dimensional structure をhold つことが时憆された. The results of the natural state, the three-dimensional structure, and the success of the arrangement design are shown in the figure.

项目成果

Shoji Takada: "Protein Folding Simulation With Solvent-Induced Force Field : Folding Pathway Ensemble of Three-Helix-Bundle Proteins Proteins"Proteins :, Structure, Function, and Genetics. 42. 85-98 (2001)

Shoji Takada：“溶剂诱导力场的蛋白质折叠模拟：三螺旋束蛋白质的折叠途径整体”蛋白质：结构、功能和遗传学。

Shoij Takada: "Simulating Protein Folding with Coarse Grained Models"Supplement of Progress of Theoretical Physics. 138,. 366-371 (2000)

Shoij Takada：“用粗粒度模型模拟蛋白质折叠”理论物理进展的补充。

Shoij Takada: "Simulating Protein Folding with Coarse Grained Models"Supplement of Progress of Theoretical Physics. 138. 366-371 (2001)

Shoij Takada：“用粗粒度模型模拟蛋白质折叠”理论物理进展的补充。

John J.Portman, Shoji Takada, Peter G.Wolynes: "Microscopic theory of protein folding rates. I. Fine structure of the free energy profile and folding routes from a variational approach"Journal of Chemical Physics. 114. 5069-5081 (2001)

John J.Portman、Shoji Takada、Peter G.Wolynes：“蛋白质折叠速率的微观理论。I. 自由能分布的精细结构和变分方法的折叠路径”《化学物理杂志》。

Nobuyasu Koga, Shoji Takada: "Roles of native topology and chain length scaling in protein folding : Simulation study with Go-like model"Journal of Molecular Biology. 313. 171-180 (2001)

Nobuyasu Koga、Shoji Takada：“天然拓扑结构和链长缩放在蛋白质折叠中的作用：Go-like 模型的模拟研究”分子生物学杂志。